液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)的安全技術(shù)及管理

劉金良

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)院，廣東廣州 510655)

液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)的安全技術(shù)及管理

劉金良

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)院，廣東廣州 510655)

針對(duì)LNG的特性及LNG的儲(chǔ)運(yùn)方式，分析了LNG儲(chǔ)運(yùn)中的危險(xiǎn)因素，并從儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備、技術(shù)及管理等方面提出了相應(yīng)的安全措施。

LNG特性;LNG儲(chǔ)運(yùn);安全技術(shù)措施;安全管理

液化天然氣是將天然氣凈化、深冷液化而成的液體，體積約為其氣態(tài)體積的1/625，有利于遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，液體溫度一般為-162～-150℃，屬于低溫液體。隨著世界和我國LNG工業(yè)的發(fā)展，LNG工業(yè)產(chǎn)業(yè)的完整鏈系包括上游天然氣的開采、液化儲(chǔ)運(yùn)和液化天然氣在氣化、銷售等環(huán)節(jié)，其中主要環(huán)節(jié)為液化站、LNG運(yùn)輸和LNG供氣站三個(gè)接點(diǎn)。而LNG儲(chǔ)運(yùn)在整個(gè)LNG產(chǎn)業(yè)鏈從生產(chǎn)到銷售，都是十分重要的環(huán)節(jié)。為此，液化天然氣的儲(chǔ)運(yùn)安全問題將是擺在我們面前的一個(gè)重要課題。

1 LNG特性

LNG主要成分為甲烷，另外還含有少量的乙烷、丙烷、N2及其他天然氣中通常含有的物質(zhì)。不同工廠生產(chǎn)的LNG具有不同的組分，主要取決于生產(chǎn)工藝和氣源組分，按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1160的規(guī)定，LNG的甲烷含量應(yīng)高于75%，氮含量應(yīng)低于5%。

1.1 燃燒特性

LNG具有天然氣的易燃特性，在-162℃的低溫條件下，其燃燒范圍為6%～13%(體積百分比)，天然氣的燃燒速度相對(duì)比較慢(大約是0.3 m/s)，在敞開的環(huán)境條件下，LNG和蒸氣一般不會(huì)因燃燒而引起爆炸。LNG蒸氣遇到火源著火后，火焰會(huì)擴(kuò)散到氧氣所及的地方。游離云團(tuán)中的天然氣處于低速燃燒狀態(tài)，云團(tuán)內(nèi)形成的壓力低于5 kPa，一般不會(huì)造成很大的爆炸危害;但若周圍空間有限，云團(tuán)內(nèi)部有可能形成較高的壓力波，當(dāng)LNG蒸氣和空氣混合達(dá)到爆炸的極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸或爆轟，造成更大的事故。LNG自動(dòng)著火溫度隨組分的變化而變化，重?zé)N含量的增加使著火溫度點(diǎn)降低。除受熱點(diǎn)火外，天然氣也能被火花點(diǎn)燃。

1.2 低溫特性

LNG的低溫常壓儲(chǔ)存是在液化天然氣的飽和蒸氣壓接近常壓時(shí)的溫度進(jìn)行儲(chǔ)存，常壓下LNG的沸點(diǎn)在-162℃左右，LNG的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、利用都是在低溫狀態(tài)下進(jìn)行的。低溫特性除了表現(xiàn)在對(duì)LNG系統(tǒng)的設(shè)備、管道的材料要注意防止低溫條件下的脆性斷裂和冷收縮對(duì)設(shè)備和管路引起的危害外，也要解決系統(tǒng)保冷、蒸發(fā)氣處理、泄漏擴(kuò)散以及低溫灼傷等方面的問題。

滾騰：當(dāng)不同成分的超低溫液體共同儲(chǔ)存在同一個(gè)儲(chǔ)罐中，由于吸熱與蒸發(fā)作用，可能會(huì)形成不同密度的兩層液體，此現(xiàn)象稱為層化現(xiàn)象，這些液體再繼續(xù)受到吸熱與蒸發(fā)的運(yùn)作，兩個(gè)液層之間就自發(fā)地進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，同時(shí)在液層表面進(jìn)行蒸發(fā)。當(dāng)兩層液體的密度接近平衡點(diǎn)即相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生上下劇烈對(duì)流與混合，并在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，這就是滾騰［1-2］。其危害是儲(chǔ)罐內(nèi)壓力急劇變化，導(dǎo)致設(shè)備超壓，罐體受到損害等。

泄漏特性：由于低溫操作，金屬部件會(huì)出現(xiàn)明顯的收縮，在儲(chǔ)槽系統(tǒng)的任何部位尤其是焊縫、閥門、法蘭、管件、密封及裂縫處，都可能出現(xiàn)泄漏和沸騰蒸發(fā)。特別是在儲(chǔ)運(yùn)過程中，由于對(duì)儲(chǔ)存容器的振動(dòng)時(shí)間長，更容易出現(xiàn)泄漏的情況。如果不及時(shí)對(duì)部件加固和封閉這些蒸氣，它就會(huì)逐漸上浮，且擴(kuò)散較遠(yuǎn)，容易遇到潛在的火源，引起火災(zāi)或爆炸等事故。

低溫傷害：由于LNG是-162℃的深冷液體，皮膚直接與低溫物體表面接觸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的低溫凍傷傷害。沒有充分保護(hù)措施，人在低于10℃下一段時(shí)間后，就會(huì)有低溫麻醉的危險(xiǎn)產(chǎn)生，隨著體溫下降生理功能和智力活動(dòng)都下降，心臟功能衰竭，進(jìn)一步下降會(huì)導(dǎo)致死亡［3］。雖然LNG低溫蒸氣沒有毒，但其含氧量低，易使人窒息。人如果吸入純凈LNG蒸氣而不迅速脫離，很快就會(huì)失去知覺，幾分鐘后便會(huì)死亡。

1.3 快速相態(tài)轉(zhuǎn)變特性

當(dāng)溫度相差懸殊的兩種液體接觸時(shí)，若熱液體溫度比冷液體沸點(diǎn)溫度高111倍，則冷液體溫度上升極快，表面層溫度超過自發(fā)成核溫度(當(dāng)液體中出現(xiàn)氣泡時(shí))。此過程熱液體能在極短時(shí)間內(nèi)通過復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸氣，這個(gè)現(xiàn)象類似水落在一塊燒紅的鋼板上發(fā)生的狀況，可使水立即蒸發(fā)，這就是LNG與水接觸時(shí)出現(xiàn)RPT現(xiàn)象的原因。當(dāng)LNG泄漏流進(jìn)水中時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流傳熱，以致在一定的面積內(nèi)蒸發(fā)速度保持不變;隨著LNG流動(dòng)，泄漏面積逐漸擴(kuò)大，直到氣體蒸發(fā)量等于漏出液體所能產(chǎn)生的氣體量。如LNG槽船發(fā)生意外事故時(shí)，可導(dǎo)致LNG泄漏流進(jìn)水中。在某一條件下，這種接觸可使LNG蒸發(fā)速度劇增，此時(shí)就會(huì)發(fā)生被稱為快速相態(tài)轉(zhuǎn)變(RPT)的現(xiàn)象［4-5］，RPT現(xiàn)象具備爆炸的特征，由此產(chǎn)生的爆炸威力可導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。

2 LNG儲(chǔ)運(yùn)方式

天然氣的液化為運(yùn)輸提供了大液氣密度比的物料，大大提高了天然氣的運(yùn)輸效率，液化天然氣運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)液化天然氣貿(mào)易的必要手段，采用LNG運(yùn)輸可使遠(yuǎn)洋天然氣貿(mào)易成為可能，是解決海洋、荒漠地區(qū)天然氣開發(fā)利用的有效方法。液化天然氣的運(yùn)輸主要有三種方式［6］：船運(yùn)、車運(yùn)和管道輸送。

2.1 LNG船舶運(yùn)輸［7-8］

多年以來，在LNG國際貿(mào)易中，主要采用專用油輪進(jìn)行LNG跨洋運(yùn)輸。LNG的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸始于1959年，當(dāng)時(shí)，“甲烷先鋒號(hào)”油輪裝載5 000 m3LNG成功地從美國路易斯安娜州的查理斯湖，橫渡大西洋運(yùn)抵英國凱凡島。近半個(gè)世紀(jì)來，隨著造船技術(shù)的進(jìn)步，LNG油輪在數(shù)量和規(guī)模上都得到了很大發(fā)展;而增大油輪容量可降低LNG運(yùn)輸費(fèi)用，因此LNG油輪的容量不斷向大型化發(fā)展。根據(jù)LNG Shipping Solutions的統(tǒng)計(jì)(2004年)，世界上正在運(yùn)營的液化天然氣船已達(dá)151艘以上。當(dāng)時(shí)2007年第十五屆國際LNG大會(huì)發(fā)布的數(shù)字，至2005年5月，全球已有181艘LNG船，最大運(yùn)輸能力已超過25×104m3。

2.2 槽車運(yùn)輸

液化天然氣的槽車運(yùn)輸承擔(dān)了將天然氣液化工廠生產(chǎn)的LNG運(yùn)送到各個(gè)使用點(diǎn)的任務(wù)。運(yùn)輸距離短、數(shù)量不大的LNG輸送，可采用公路槽車運(yùn)輸。用公路槽車運(yùn)輸深冷液體已有多年歷史，國內(nèi)外技術(shù)都十分成熟。超過一定距離，采用鐵路槽車運(yùn)輸LNG比采用公路槽車較為經(jīng)濟(jì)。國內(nèi)正在研究火車低溫集裝箱運(yùn)輸方式及運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，以便更長距離、更大量地運(yùn)送LNG。

2.3 管道輸送

目前，在陸地上，由于受到管道低溫輸送技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、氣源等各方面的影響，世界上約75%的天然氣仍采用常態(tài)管道輸送的方式，只在LNG調(diào)峰裝置和油輪裝卸設(shè)施上設(shè)有LNG低溫管線，還沒有長距離LNG管線的實(shí)例;但已有專家從理論上對(duì)長距離LNG管線可行性［9］進(jìn)行了研究，理論研究表明，隨著低溫材料和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)長距離LNG管線在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

3 LNG儲(chǔ)運(yùn)的安全技術(shù)管理

LNG儲(chǔ)運(yùn)中，其安全性非常重要，應(yīng)從儲(chǔ)罐的布局、蒸氣壓的控制、儲(chǔ)罐及管路的惰化與鈍化、分層的消除及儲(chǔ)罐與槽車的預(yù)冷等環(huán)節(jié)上給予控制，并在流程與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮并完善［10］。

3.1 LNG儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的材料

LNG裝置本身的可靠性是保證LNG設(shè)施安全運(yùn)行的重要前提。由于LNG為-162℃的超低溫液體，因此，與該液體接觸的材料必須能耐低溫，而且在極低溫時(shí)仍具有韌性，并能克服由常溫降至低溫時(shí)的脹縮問題，防止因材質(zhì)選擇不當(dāng)而引起LNG泄漏。因此，無論是運(yùn)輸LNG的槽車、槽船，還是儲(chǔ)存LNG的儲(chǔ)罐，都必須能滿足超低溫的基本條件。國外使用的LNG內(nèi)槽(壁)的材料主要由鎳鋼、鋁合金和珠光體不銹鋼等，國內(nèi)外均有采用36%鎳鋼作儲(chǔ)罐材料［11］的LNG船只的案例。

3.2 LNG儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.2.1 隔熱技術(shù)

低溫絕熱一般有普通堆積絕熱、高真空絕熱、真空多孔絕熱、有間隔物的高真空多層絕熱、無間隔物的高真空多層絕熱五種類型。低溫儲(chǔ)槽目前儲(chǔ)槽多以真空粉末絕熱為主，但在LNG槽車中已開始使用高真空多層絕熱，其絕熱空間僅30～35 mm，這比真空粉末絕熱小10倍左右，而且絕熱效果好。絕熱材料采用一種新型復(fù)合多層材料，其價(jià)格低廉，工藝性好;并采用一種加熱充氣置換新工藝，一般只需要10 d即可完成抽空。如上海交通大學(xué)提供技術(shù)，張家港市圣達(dá)因化工機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZQZ9400GD低溫液體半掛車，是國產(chǎn)容積最大的LNG半掛車，容積為40 m3，其日蒸發(fā)率＜0.3%，已達(dá)國外同類產(chǎn)品水平，也是多層絕熱技術(shù)在國內(nèi)大型LNG槽車上的首次應(yīng)用。罐體為高真空多層絕熱儲(chǔ)罐，其絕熱性能直接決定罐內(nèi)的壓力，若絕熱性能不好，則罐內(nèi)壓力不穩(wěn)定，會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3.2.2 支承

儲(chǔ)罐的支承主要有兩種類型：支腳(有不銹鋼支腿和玻璃鋼支腿兩種)支承和鏈條支承兩種。這種絕熱結(jié)構(gòu)已在大型低溫儲(chǔ)槽中廣泛應(yīng)用;但對(duì)于槽車，必須考慮到運(yùn)輸過程中的沖擊、振動(dòng)及冷補(bǔ)償，要設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的組合支承結(jié)構(gòu)。

3.2.3 安全附件及裝置

由于LNG儲(chǔ)槽/罐的隔熱結(jié)構(gòu)并不能完全防止LNG的蒸發(fā)，每天會(huì)有0.15%～0.3%的蒸發(fā)量，使得儲(chǔ)槽內(nèi)的溫度和壓力升高，為保證儲(chǔ)存的安全可采用再液化裝置將多余的BOG再液化為LNG。為實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)槽/罐內(nèi)的LNG的各項(xiàng)參數(shù)，需設(shè)置各種溫度、壓力、液位計(jì)量測(cè)量設(shè)施及報(bào)警裝置。

3.3 LNG儲(chǔ)槽/罐的充注工藝流程

液化天然氣是一種多組分混合物，溫度和組成變化會(huì)引起密度變化，會(huì)引起分層和渦流，同時(shí)伴隨表面蒸發(fā)的驟增，引起槽內(nèi)壓力驟升和蒸發(fā)率大幅度增加而造成事故。為消除液化天然氣貯存時(shí)的分層與漩渦的產(chǎn)生，需采用合適的充注方法與設(shè)備［12］：①分別貯存法，將不同密度的天然氣分別貯存。②正確選擇充注過程：輕LNG從槽底進(jìn)料，重LNG從槽頂進(jìn)料，或兩者結(jié)合使用;在槽內(nèi)安裝自動(dòng)密度儀，以檢測(cè)不同密度的層;用槽內(nèi)泵使液體從底至頂循環(huán);保持LNG的含氮量低于1%，并且密切監(jiān)測(cè)氣化速率。③采用混合噴嘴或多孔管等充注設(shè)備。④采用內(nèi)部攪拌或輸出部分液體方法。

3.4 安全技術(shù)措施

3.4.1 防泄漏可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)

一般可以通過目測(cè)和大型的可燃?xì)怏w探測(cè)器的方法(如紅外、紫外探測(cè)儀、煙霧燃燒監(jiān)測(cè)儀、低溫探測(cè)裝置和LNG壓力測(cè)試裝置等)來探測(cè)LNG的泄漏。用目測(cè)的方法所見到的特征為儲(chǔ)運(yùn)裝置外表為云霧狀;而用探測(cè)器時(shí)，閉路電視系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)所有LNG設(shè)備的工作狀況，一旦發(fā)生泄漏、外溢、氣化等，應(yīng)急操作就會(huì)被激活，操作工就能及時(shí)采取相應(yīng)的控制措施進(jìn)行處理。因此，連續(xù)的自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)比人工探測(cè)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3.4.2 泡沫控制蒸氣擴(kuò)散及輻射系統(tǒng)

泡沫迅速膨脹，可阻止LNG可燃蒸氣的迅速擴(kuò)散，并且在蒸氣遇到火源著火后，可減少輻射量，泡沫的膨脹率約為500∶1。將泡沫覆蓋在LNG表面，由于熱量增加，會(huì)使LNG的氣化率增大，氣化后的LNG蒸氣穿過泡沫，溫度升高，向上飄浮。這樣，LNG蒸氣就像煙霧一樣向上浮而不會(huì)沿著地面擴(kuò)散，從而大大減少擴(kuò)散區(qū)。

3.4.3 防過度振動(dòng)裝置

在儲(chǔ)運(yùn)的過程中，難免出現(xiàn)LNG容器的振動(dòng)現(xiàn)象，比如槽車運(yùn)輸時(shí)的路況、管道輸送時(shí)的地震、LNG舶船運(yùn)輸時(shí)的風(fēng)浪等影響因素，都會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生影響。因此，在LNG的儲(chǔ)運(yùn)過程中，對(duì)裝置采用一些防振動(dòng)措施。

3.4.4 靜電導(dǎo)出與消防水系統(tǒng)

在裝卸與儲(chǔ)運(yùn)過程中，LNG與儲(chǔ)槽、管道產(chǎn)生摩擦，使儲(chǔ)槽或管道帶上靜電;因此，在LNG相應(yīng)的設(shè)備上設(shè)靜電導(dǎo)出。消防水系統(tǒng)是用于當(dāng)LNG泄漏時(shí)，用水來控制LNG蒸汽云團(tuán)的擴(kuò)散。

3.4.5 事故應(yīng)急系統(tǒng)

LNG設(shè)施應(yīng)包括事故切斷系統(tǒng)(ESD)、應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)等事故應(yīng)急系統(tǒng)，就是當(dāng)儲(chǔ)運(yùn)或卸貨裝置不在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)工作的時(shí)候，中斷操作，切斷或關(guān)閉LNG、易燃液體、易燃致冷劑或可燃?xì)怏w來源，并關(guān)閉繼續(xù)運(yùn)行將加劇或延長事故的設(shè)備。ESD等應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)具有失效保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)正?？刂葡到y(tǒng)故障或事故時(shí)，使失效的可能性、事故影響和損失最小。

3.5 LNG儲(chǔ)運(yùn)的安全運(yùn)行管理

為保證LNG裝置安全運(yùn)行，應(yīng)建立完善的設(shè)備管理制和維修保養(yǎng)制度，裝置中設(shè)備應(yīng)選用防爆型，具體的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，維護(hù)保養(yǎng)，并做好設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，不斷提高設(shè)備的完好率，確保所有設(shè)備裝置正常安全運(yùn)行。同時(shí)還以應(yīng)從以下方面著手確保LNG儲(chǔ)運(yùn)的安全：

3.5.1 完善法律法規(guī)

盡快完善液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)、消防法規(guī)建設(shè)，為LNG設(shè)施建設(shè)和日常監(jiān)督提供較為翔實(shí)的依據(jù)。充分利用國外研究成果，盡快出臺(tái)適應(yīng)我國現(xiàn)實(shí)需要的LNG消防專項(xiàng)規(guī)范，建立相應(yīng)的規(guī)范體系，確保LNG設(shè)施選址、建設(shè)、施工、驗(yàn)收和日常檢查有章可循;參照國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)城市建設(shè)需要，進(jìn)一步完善現(xiàn)有規(guī)范的內(nèi)容，增加具有原則性的規(guī)定，借以應(yīng)對(duì)消防安全面臨日益復(fù)雜的環(huán)境;充分認(rèn)識(shí)LNG事故的危害性，規(guī)范在強(qiáng)化一般性規(guī)定的同時(shí)，重點(diǎn)研討誘發(fā)LNG危險(xiǎn)性的因素，增加相關(guān)規(guī)定，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況的防護(hù)措施進(jìn)行嚴(yán)格限定，確保LNG設(shè)施的安全。

3.5.2 崗位操作規(guī)程

包括LNG裝卸車操作規(guī)程、LNG儲(chǔ)罐增壓操作規(guī)程、LNG儲(chǔ)罐倒罐操作規(guī)程、BOG儲(chǔ)罐操作規(guī)程等。

3.5.3 人員配置

應(yīng)有專門的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)LNG儲(chǔ)運(yùn)的安全技術(shù)管理，同時(shí)應(yīng)配備專業(yè)技術(shù)管理人員，不論是管理人員，還是崗位操作人員及車輛司機(jī)均應(yīng)經(jīng)專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，經(jīng)考核合格后方可上崗。

3.5.4 定期檢查

LNG儲(chǔ)罐的整體外觀情況(周期：一年);真空粉末絕熱儲(chǔ)罐夾層真空度的測(cè)定(周期：一年);儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率的測(cè)定(可通過BOG的排出量來測(cè)定，周期可長可短，但發(fā)現(xiàn)日蒸發(fā)率突然增大或減小時(shí)應(yīng)找出原因，立即解決);儲(chǔ)罐基礎(chǔ)牢固，變損情況(周期：3個(gè)月)必要時(shí)可對(duì)儲(chǔ)罐焊縫進(jìn)行復(fù)檢，同時(shí)應(yīng)檢查儲(chǔ)罐的原始運(yùn)行記錄。

4 結(jié)論

盡管LNG被認(rèn)為是一種非常危險(xiǎn)的燃料，但是，從LNG產(chǎn)業(yè)幾十年的發(fā)展歷史來看，其具有良好的安全記錄。然而，這并非說LNG就不危險(xiǎn)，關(guān)鍵是能否掌握來自LNG的特性和危險(xiǎn)來源，是否按標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范去設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及管理。本文僅從LNG的危險(xiǎn)特性等方面針對(duì)LNG儲(chǔ)運(yùn)過程中可能存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，并淺析了儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備設(shè)計(jì)、安全技術(shù)及管理方面的措施，對(duì)LNG的安全儲(chǔ)運(yùn)還需從本質(zhì)安全等方面進(jìn)行更深層次的研究。

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TE88

A

1003-3467(2010)20-0006-04

2010-08-21

劉金良(1982-)，男，助理工程師，從事低溫容器檢驗(yàn)檢測(cè)及研究工作，電話：13427514002。